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中国慧眼卫星再立功确认快速射电暴起源

02-20 新京报
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中国慧眼卫星再立功确认快速射电暴起源

慧眼卫星观测磁星。 中科院高能物理研究所供图

快速射电暴是2007年发现的神秘的天文现象,其起源和产生机制是当今天文学最大的谜题之一。

昨日记者从中国科学院高能物理研究所(下称高能所)获悉,慧眼天文卫星发现首个跟神秘的快速射电暴相关联的X射线暴,确认其来自银河系内的磁星SGR J1935+2154。这一发现,与国际上其他望远镜的观测一起,证明快速射电暴可以起源于磁星爆发,破解了快速射电暴的起源之谜。

2月19日,国际期刊《Nature Astronomy》(自然·天文学)在线发表了慧眼(HXMT)卫星这项最新观测结果。

快速射电暴起源和产生原因引发争论

快速射电暴简称FRB(Fast Radio Burst),是2007年发现的神秘的天文现象,其持续时间只有几毫秒。据介绍,快速射电暴在宇宙中发生极为频繁,根据估算每天至少有成千上万次到达地球。迄今为止,人类探测到了来自不同天区位置的上百个快速射电暴,而且观测到了来自同一方向的重复暴发。

然而,在本次发现之前,没有探测到快速射电暴在射电波以外其他波段的辐射,而且具有精确定位的快速射电暴都来自银河系之外的遥远宇宙。这种神秘暴发现象的起源和产生原因成为当今天文学最大的谜题之一。

为了解释快速射电暴,科学家们提出了各种猜想,包括两颗致密星并合、致密星塌缩、磁星的爆发、中子星与小行星碰撞等,甚至还有人猜测是外星人发出的信号。近年来,快速射电暴的研究资料越来越丰富,关于其起源之谜的争论也越发激烈。

据慧眼卫星首席科学家张双南介绍,要弄清快速射电暴产生的原因,关键有两点:第一是要找到其对应的天体,第二是看到快速射电暴在其他波段的辐射,限制其物理机制。

2020年4月28日,格林威治时间下午2时34分,加拿大CHIME实验和美国STARE2实验同时看到了一个亮度极高的快速射电暴,被命名为FRB 200428,其方向与银河系内的磁星SGR J1935+2154方向大概一致,而且根据恒星际介质对不同频率射电信号之间的时间延迟推算,暴发源的距离为大约3万光年,也跟SGR J1935+2154大致相符,因此,FRB 200428很可能起源于银河系内的这颗磁星,但还需要更多的观测证据加以确认。

首次确认快速射电暴起源天体

磁星是表面磁场强度为地球磁场强度百万亿倍以上的中子星,在活跃期间会出现剧烈的X 射线暴发,因此很多理论家认为它们也可以产生快速射电暴。

2020年4月中旬,SGR J1935+2154进入了一个新的活跃期,开始出现频繁的X射线暴发。“两分钟发生了几百次,非常剧烈。”北京师范大学天文系博士林琳说。根据林琳的建议,在这种情况下,慧眼卫星调整了既定的观测计划,对这颗磁星进行了长时间定点观测。

在FRB 200428之前约8.6秒,慧眼卫星探测到了来自这颗磁星方向的一个极亮的X射线暴发,它同时也被欧洲的INTEGRAL卫星、俄罗斯的KONUS-WIND探测器和意大利的AGILE卫星监测到。这个时间差别正好与恒星际物质对射电信号的延迟相当,说明X射线暴和快速射电暴起源于同一次爆发。

此外,慧眼卫星基于独特的准直器设计,对X射线暴进行了高精度定位,从而证明了该X射线暴和快速射电暴都来自这颗磁星。

这是人类首次确认快速射电暴的起源天体,也是首个起源于银河系内的快速射电暴。关于FRB 200428的相关研究成果,被英国《自然》杂志评为2020年十大科学发现之一,也被美国《科学》杂志列入2020年十大科学突破。

这个发现是否可以完全排除快速射电暴是外星人的通讯信号?慧眼卫星地面应用系统副总设计师宋黎明说,FRB 200428的起源是磁星SGR J1935+2154,磁星是具有强磁场的中子星,半径大约10公里,质量比太阳的质量还要大,中子星的表面磁场和引力非常强烈,磁星的表面也是没有大气的。在这几个因素下,中子星不具备生物生存条件。

“快速射电暴FRB 200428的起源肯定不是来自外星人,至于其他快速射电暴会不会来自外星人,目前不能完全排除,但可能性变得比较小。因为其他快速射电暴特征和FRB 200428是一致的。”张双南补充说。

慧眼卫星预计可以超期服役

慧眼卫星是我国第一颗空间X射线天文卫星,由高能所李惕碚院士等人在1993年提出。慧眼卫星地面应用系统副总设计师宋黎明说,自2017年6月15日发射升空以来,慧眼卫星已在轨稳定运行超过3年半,并在黑洞、中子星等研究方面取得一系列重要成果。“慧眼设计寿命4年,目前状态良好,预期可运行约10年”。张双南说。

与其他高能天文卫星的观测数据相比,慧眼卫星对FRB 200428的观测数据统计性最好、能区覆盖最宽,提供了最为丰富、精细的时变和能谱信息。慧眼卫星还是国际上独立定位了该X射线暴的两颗天文卫星之一,定位精度远远高于探测到FRB 200428的两个射电望远镜的精度。在这个X射线暴发的光变曲线中,慧眼卫星探测到两个X射线脉冲跟快速射电暴的双峰在时间上高度吻合,该结果后来也被其他卫星的数据所证实。

“这次对该磁星和快速射电暴的观测,也体现了慧眼卫星作为空间天文台的强大科学能力。”张双南说。

■ 展望

慧眼“继任者”已进入方案设计阶段

在探索极端宇宙的进程中,“慧眼”卫星的“继任者”——eXTP也蓄势待发。在慧眼卫星稳定运行的同时,高能所牵头研制的增强型X射线时变与偏振空间天文台(eXTP)在经过十多年的预研之后,已经进入方案设计阶段。

张双南介绍,目前仍有若干“极端宇宙”科学问题尚待解决:极端引力问题,黑洞提供了宇宙中最强的引力场,但是在这种极端引力条件下会发生什么现象还没有精确的观测结果;极端磁场问题,中子星提供了宇宙中最强的磁场,但是在这种情况下真空涨落会产生什么还没有直接的观测结果;极端密度问题,中子星内部的物质密度在宇宙中最高,但是其内部是由中子还是夸克物质组成的仍然是未解之谜。

eXTP有望解决这些“极端问题”。张双南说,eXTP是中国领导的大型国际合作空间X射线天文卫星项目,将是2027年之后国际领先的旗舰级空间X射线天文台。在中子星、黑洞等天体的研究方面,其综合性能相比于国际同类卫星有一个数量级以上的提升,将把中国的空间高能天文研究进一步带入国际领先水平。

“eXTP的科学目标为一奇二星三极端:黑洞奇点;中子星和夸克星;极端引力、极端磁场、极端密度,将为探索极端宇宙做出重大贡献。”

记者了解到,银河系外的快速射电暴因为距离更远,其高能对应体将非常微弱,eXTP将是探测它们的理想设备。

新京报记者 张璐

(责任编辑:李显杰)
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